鈣基膨潤土礦陽離子交換容量測試方法的探究

王國強

（中國建材工業地質勘查中心內蒙古總隊，內蒙古 呼和浩特 010000）

1 概述

膨潤土是一種以蒙脫石為主要礦物成分的礦產[1，8-10]，也叫斑脫巖，皂土，用途很廣泛，膨潤土作為粘結劑、懸浮劑、增強劑、增塑劑、增稠劑、觸變劑、絮凝劑等，廣泛用于冶金、機械制造、鉆探、石油化工、輕工等領域[2，9，11]。

陽離子交換容量是判斷膨潤土礦品位和劃分膨潤土礦屬型的主要依據之一，也是綜合評價膨潤土框的重要指標之一[1，6]。

試驗過程中參考了國家標準GB/T 20973-2020《膨潤土》[4]和DZG93-06《巖石和礦石分析規程》[5]，這兩個方法基本相同，都是氯化鋇交換提取膨潤土中交換性陽離子，然后用硫酸鎂置換膨潤土中的交換性鋇離子，通過火焰原子吸收測定硫酸鎂含量，計算消耗的硫酸鎂含量從而算得膨潤土陽離子交換容量[7]。發現按照規程操作測定鈣基陽離子交換總量，出現系列和所測樣品結果偏差較大，結果容易偏離，重現性不太好，多次試驗，在不同儀器上都出現相同問題，針對這一問題，在測試時向系列加入與樣品同樣含量的氯化鋇，發現標樣測試結果與標準值誤差減小，重復性更好。現供探究。

2 實驗部分

2.1 試驗原理

膨潤土含有一定量可交換的陽離子鉀、鈉、鈣、鎂離子及鋁、氫離子[12]。鋇離子具有很強的置換能力，氯化鋇中鋇離子可與膨潤土樣品中的可交換陽離子發生置換，置換出的陽離子量之和就是陽離子交換容量，用定量硫酸鎂溶液浸取被氯化鋇置換過的膨潤土，鎂離子與鋇離子反應，過濾分離，測定濾液中鎂離子含量，通過計算鎂離子減少量可得膨潤土陽離子交換容量[3，7]。

2.2 主要試劑

氯化鋇溶液0.1mol/L；

氯化鋇溶液0.0025mol/L；

硫酸鎂溶液0.0200mol/L；

鎂標準溶液0.0010mol/L；

硝酸鑭溶液10mg/L；

質控樣9701（實驗室內部制作控制樣品）；

質控樣9702（實驗室內部制作控制樣品）。

2.3 儀器

原子吸收光譜儀（耶拿ContrAA700）、離心機、振蕩器、電子天平（梅特勒—托利多AE160）。

2.4 實驗方法

（1）樣品處理：

①稱取1.000g已烘干的膨潤土樣品于50mL離心管中，加蓋稱重（m1）；加入30mL氯化鋇0.1mol/L溶液，振蕩1h，離心力3000g離心10min，倒掉懸浮液；以上過程進行三次。

②加入30mL氯化鋇0.0025mol/L溶液，振蕩1h，靜置5h以上，離心力3000g離心10min，倒掉上層清液。

③離心管加稱量（m2），向離心管中加入30mL硫酸鎂溶液0.0200mol/L，振蕩1h，靜置5h以上，離心力3000g離心10min，將上層清液經7cm直徑的濾紙過濾到錐形燒瓶中，此液用來測量陽離子交換容量。

按上述步驟不加膨潤土的空離心管進行試驗作為空白對照樣[4]。

（2）制作標準溶液系列：

①分別移取四組0mL、1mL、2mL、3mL、4mL和5mL硫酸鎂溶液到相應100mL容量瓶中：第一組加入10mL硝酸鑭溶液10mg/L，定容；第二組加入0.2mL氯化鋇溶液0.1mol/L和10mL硝酸鑭溶液10mg/L，定容；第三組加入0.3mL氯化鋇溶液0.1mol/L和10mL硝酸鑭溶液10mg/L，定容；第四組加入0.5mL氯化鋇溶液0.1mol/L和10mL硝酸鑭溶液10mg/L，定容。

四組硫酸鎂系列濃度為0μg/mL、0.24μg/mL、0.48μg/mL、0.72μg/mL、0.96μg/mL、1.20μg/mL。

②分別移取錐形瓶中的濾液和對照空白溶液0.20mL到100mL容量瓶，加入0.3mL氯化鋇溶液和10mL硝酸鑭溶液，定容到100mL。

（3）在波長285.2nm處，用空氣乙炔火焰在原子吸收光譜儀上測定[4]。重復以上實驗五次，保留五次的測定數據。

2.5 計算方法

式中：CEC-——試樣的陽離子交換量，mol/100g；

c1-——樣品濾液中的鎂濃度，mol/L；

cb1-——空白試液的鎂濃度，mol/L；

c2-——修正后的濾液中的鎂濃度，mol/L；

m——試樣的質量，g；

m1-——離心管與試樣的質量，g；

m2-——離心管與濕試樣的質量，g。

3 結果與討論

本實驗樣品選用質控樣品9701和9702進行測試對比。將實驗分為四組，四組樣品處理部分步驟一樣，都按照國家標準GB/T 20973-2020《膨潤土》[4]中的步驟進行，只有系列的配置方法不同，進行實驗對照。

實驗中的9701和9702特點是鈣鎂含量較高，鈣分別為60.38和38.48，鉀鈉含量較低，為鈣基膨潤土，陽離子容量中等和中等偏低，準確值是本實驗室內部和外部實驗室經過比對實驗和通過測算鉀鈉鈣鎂等離子的總量確定的數值（表1）。

由表1可以看出系列加入0.3mL氯化鋇0.1mol/L后測得數據準確率較高、穩定性更好，誤差減小；系列加入0.2mL氯化鋇0.1mol/L不如加入0.3mL氯化鋇0.1mol/L的測得的數據穩定性和準確率高；系列加入0.3mL氯化鋇0.1mol/L不如加入0.5mL氯化鋇0.1mol/L的測得的數據穩定性和準確率差不多，都在質控范圍內。由以上的比對結果可知系列中加入氯化鋇溶液與被測樣品中的等量即0.3mL時測得的結果數據準確率和穩定性較好，少于0.3mL時準確率和穩定性不太好，多于0.3mL時準確率和穩定性變化不大。

表1 氯化鋇溶液濃度對鈣基膨潤土陽離子的影響

對比實驗結果顯示加入0.3mL氯化鋇的系列測得的結果數據準確率和穩定性更好，分析氯化鋇的化學性質，氯化鋇中鋇離子可與硫酸鎂中硫酸根離子反應生成硫酸鎂沉淀，除去溶液中部分硫酸根離子；可能的原因是過量的硫酸根離子對鎂離子在火焰原子吸收的電離和吸收產生了影響，加入氯化鋇后減小了影響，所以更加穩定。

續表1 氯化鋇溶液濃度對鈣基膨潤土陽離子的影響

4 總結

以GB/T 20973-2020《膨潤土》和DGZ93-06《巖石和礦石分析規程》標準方法為基礎，為了提高方法的分析結果的準確率，對分析條件進行了改進。首先按照GB/T 20973-2020《膨潤土》的樣品處理步驟進行樣品處理。實驗對系列配置條件進行了優化，最終確定向系列中加入同樣品等量的氯化鋇溶液的方式。采用此種方式優點：測得鈣基膨潤土陽離子交換容量數據準確率更高，穩定性更好。多次試驗結果對比情況都類似，所以在這里我們可以做一個推測，氯化鋇交換法測鈣基膨潤土陽離子交換總量時系列中需要加入和樣品等量的氯化鋇溶液。

5 思考

本次對比試驗選用的膨潤土樣品屬于鈣基膨潤土且陽離子容量中等和中等偏低，測試結果取得了較好的效果，但對于鈉基膨潤土和高含量膨潤土樣品尚未進行研究試驗，尚不確定對于鈉基膨潤土和陽離子交換容量大的膨潤土是否適用。